Bài giảng Phần thực hành môn Vật lý - Lý sinh

* Vệ sinh vòng sử dụng một số dung môi để loại bỏ các tạp chất bám trên vòng trong các thí nghiệm để không ảnh hưởng đến kết quả (thường dùng các dung môi có độ phân cực cao như cồn, m[r]

SỬ DỤNG THƯỚC KẸP, PANME

 Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể:

- Giúp sinh viên nắm vững các nguyên tắc cấu tạo du xích của thước kẹp, Panme

- Biết cách sử dụng thước kẹp, Panme để đo kích thước của một số vật nặng bằng những động tác nhẹ nhàng và chính xác

1.1 Mô tả dụng cụ và cách sử dụng

Thước kẹp bao gồm hai hàm A và B, trong đó hàm A cố định gắn liền với thước chính L1, trong khi hàm B có khả năng di chuyển dọc theo chiều dài của thước L1 Hàm B còn được trang bị một thước nhỏ L2, được gọi là du xích.

- Thước L1 chia đều mm và đánh số từng cm một (1, 2, 3, … cm) Khi hai hàm khít nhau, vạch 0 của L1 trùng với vạch 0 của L2 (du xích)

- Khi hàm A và hàm B cách nhau một khoảng là d thì khoảng ấy có chiều dài tính từ điểm 0 của L1 đến điểm 0 của L2 (Hình 1.2)

- Muốn đo kích thước của một vật ta đặt vật đó giữa hàm A và B và khe đẩy của hàm

Để kẹp chặt vật giữa hai hàm A và B mà không làm biến dạng, ta cần mở lỏng ốc D và tiến hàm B khít đến vật một cách nhẹ nhàng Khi vật đã được kẹp chặt, để lấy vật ra, chỉ cần trượt ốc D ngược chiều để kéo hàm B ra xa vật.

- Để đọc kích thước đo bằng thước kẹp ta phải nắm được nguyên tắc cấu tạo du xích của thước kẹp

Tài liệu giảng dạy Môn: Thực hành Vật lý – Lý sinh Page 14

1.2 Nguyên tắc cấu tạo du xích

Trên thước L1, một đoạn dài a mm được chia thành b khoảng, mỗi khoảng dài a/b mm Tương tự, trên du xích L2, đoạn dài (a - 1) mm cũng được chia thành b khoảng, với mỗi khoảng dài (a - 1)/b mm Do đó, mỗi khoảng của du xích ngắn hơn mỗi khoảng của thước thường với độ chênh lệch là mm b b mm a b a 1 1.

 = 1/b mm là đại lượng đặc trưng cho du xích

Dựa vào giá trị của  mà ta phân loại các du xích:

- Du xích 1/50 mm tức có  = 1/50 mm

Trong bài thực hành ta dùng du xích 1/50 mm Cấu tạo của du xích này như sau:

- Trên thước thường ta lấy một đoạn dài a = 50 mm chia làm b = 50 khoảng Mỗi khoảng dài: a/b= 1mm

Trên du xích, đoạn dài (a - 1) là 49 mm và được chia thành b = 50 khoảng Do đó, mỗi khoảng của du xích sẽ ngắn hơn khoảng của thước thông thường là 0.02 mm.

- Mỗi một khoảng chia trên du xích sẽ ngắn hơn 1 khoảng chia trên thước thường là: 0.02mm

- Mỗi n khoảng chia trên du xích sẽ ngắn hơn n khoảng chia trên thước thường là: n. n.0.02mm

Chú ý: Tùy vào giá trị của  trên thước mà khoảng chia trên du xích sẽ khác nhau

Giả sử khoảng chia từ 0 đến 1 trên thước du xích có số 5 tương ứng với số 5 trên thước thông thường (n = 5), thì chiều dài của 5 khoảng trên thước du xích sẽ ngắn hơn, được tính bằng công thức: mm = n × 0,02, tức là 5 × 0,02 = 0,10.

Ta có khoảng cách giữa vạch số 0 trên thước thường và vạch số 0 trên du xích là: d  a    0  0 , 10  0 , 10 mm ; với phần nguyên a = 0

Theo hình 1.1.3, trong khoảng chia từ 0 đến 1, số 5 của du xích trùng với số 15 của thước thường (từ số 10, ta có n = 5) Do đó, 5 khoảng cách của du xích sẽ ngắn hơn, cụ thể là 0,25 mm (n mm = 5 × 0,05 = 0,25).

Ta có, khoảng cách giữa vạch số 0 trên thước thường và vạch số 0 trên du xích là: d = a += 10 + 0.25 = 10,25 mm

Để đọc kết quả đo kích thước vật bằng thước kẹp trong phòng thực hành, người ta đã chia sẵn các chỉ số, giúp quá trình đo trở nên dễ dàng và chính xác hơn.

- Phần mm (phần nguyên a) đọc trên thước thường: vạch ở phía trái và gần vạch số 0 của du xích nhất

- Phần thập phân () đọc trên du xích: vạch trùng với một vạch trên thước thường

2 1 Mô tả dụng cụ và cách sử dụng Panme

Panme bao gồm hai thanh A và B, trong đó thanh A là thanh trụ tròn ngắn và cố định, gắn với một đai sắt hình chữ U, còn thanh B là thanh trụ dài hơn nhiều và di động, có tiết diện ngang tương đương với thanh A Thanh B được kết nối với hệ thống hình trống C, D và E, tạo nên cấu trúc hoàn chỉnh của panme.

Khi hệ thống hình trống được xoay, thanh B sẽ xoay cùng lúc và di chuyển dọc theo trục của cả hệ thống hình trống lẫn thanh B.

Trên trục G cố định, có một thước dài L1 được chia vạch thành từng 0.5 mm, với các vạch phía trên tương ứng với các giá trị số nguyên 1, 2, 3, 4… mm, và các vạch phía dưới là 0.5; 1.5; 2.5… mm.

- Trên cổ hình trống C, có một thước vòng L 2 chia thành 50 khoảng

Khi hai đầu của thanh A và B tiếp xúc, mép hình trống C sẽ trùng với vạch số 0 của thước dài L1, đồng thời đường dọc của thước L1 cũng sẽ khớp với số 0 của thước vòng L2.

- Khi hai đầu thanh A và B cách nhau một khoảng là d thì khoảng ấy bằng chiều dài từ vạch số 0 của thước dài L 1 đến mép của hình trống C

- Muốn đo kích thước của một vật, ta đặt vật đó vào giữa thanh A và B, lúc đầu ta vặn hình trống D để di chuyển thanh B cho nhanh

Khi thanh B gần chạm vào vật, cần đảm bảo rằng hai đầu thanh A và B kẹp chặt vật mà không gây biến dạng Lúc này, ta ngừng vặn hình trống D và chuyển sang vặn hình trống E.

Khi chặt, hình trống E vẫn xoay nhưng thanh B không di chuyển Để sử dụng thước vòng Panme hiệu quả, cần nắm rõ nguyên tắc cấu tạo của nó.

2.2 Nguyên tắc cấu tạo thước vòng Panme

Khi quay hình trống C một vòng, đầu thanh B di chuyển một đoạn h (mm), được gọi là bước di chuyển của thanh B Trên cổ hình trống C, người ta kẻ một thước vòng L2 bằng cách chia cổ hình trống thành q khoảng cách bằng nhau.

Khi hình trống C quay được một khoảng cách q, đầu thanh B sẽ di chuyển một đoạn h (mm) Do đó, khi hình trống C quay một khoảng chia, đầu thanh B sẽ di chuyển một đoạn tương ứng.

 là đại lượng đặc trưng cho Panme, nó cho ta biết mức chính xác của phép đo kích thước bằng panme

- Trong bài thực hành, ta dùng Panme có bước di chuyển h = 0.5 mm và số khoảng chia q = 50, vậy: mm q h/ 0.5/500.01

- Nghĩa là Panme này có thể đo kích thước của vật tới mức chính xác là 0.01 mm (1% mm)

ĐO SỨC CĂNG MẶT NGOÀI CHẤT LỎNG

- Khảo sát hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng

- Đo lực căng mặt ngoài chất lỏng, đo hệ số căng bề mặt

Mặt thoáng của chất lỏng chịu tác động của các lực căng theo phương tiếp tuyến, khiến cho mặt thoáng có xu hướng co lại đến diện tích nhỏ nhất Những lực này được gọi là lực căng bề mặt, hay còn gọi là lực căng mặt ngoài của chất lỏng.

Một khối chất lỏng luôn có xu hướng giảm diện tích bề mặt để đạt trạng thái tối ưu, tương tự như tính chất của một màng căng Sự khác biệt chính giữa bề mặt chất lỏng và màng căng là khi diện tích bề mặt chất lỏng tăng, các phân tử từ bên trong chất lỏng di chuyển ra ngoài mà không làm thay đổi độ dày của bề mặt Trong khi đó, diện tích màng căng tăng lên do các phân tử giãn ra, dẫn đến việc bề dày của màng giảm.

Khi màng cao su bị kéo căng, diện tích của nó sẽ tăng lên do tác động của ngoại lực Ngoại lực này phải có phương tiếp tuyến với màng và hướng ngược lại với lực co của màng Khi đạt trạng thái cân bằng, độ lớn của ngoại lực sẽ bằng với độ lớn của lực co lại của màng.

Lực căng bề mặt của chất lỏng hoạt động để giảm diện tích bề mặt xuống mức tối thiểu, chống lại bất kỳ ngoại lực nào làm tăng diện tích này Lực căng bề mặt có những đặc điểm quan trọng: nó tiếp tuyến với bề mặt chất lỏng tại điểm xét, vuông góc với đoạn cong nguyên tố l, và độ lớn của lực tỷ lệ với giá trị của l, được biểu diễn bằng công thức F = l.

Để hiểu bản chất vật lý của lực căng bề mặt, ta cần xem xét lực tác dụng của các phân tử lên các phân tử nằm ở bề mặt chất lỏng Lực tác dụng lên phân tử B có phương vuông góc với mặt thoáng, nhưng không làm phân tử này dịch chuyển vào trong do sự chống lại từ các phân tử khác Khi bề mặt chất lỏng ở trạng thái cân bằng, phân tử B chịu tác động của hai lực cân bằng, dẫn đến tổng hợp lực bằng không, chỉ cho phép phân tử dao động xung quanh vị trí cân bằng Tuy nhiên, nếu một trong hai lực này bị mất, phân tử B sẽ dịch chuyển nhờ lực còn lại Điều này cho thấy lực tương tác phân tử và lực căng bề mặt có bản chất tương đồng, với lực căng bề mặt được thể hiện rõ ràng trong trường hợp phân tử B bị tác động.

Có thể làm rõ hơn khái niệm lực căng bề mặt bằng một thí nghiệm đơn giản (hình 2.2)

Một khung cứng có thanh linh động b trượt dễ dàng trên đó được nhúng vào nước xà phòng, tạo ra một màng xà phòng bao quanh thanh b Để màng không co lại, lực f’ cần tác dụng lên thanh b, và khi ở trạng thái cân bằng, độ lớn của lực f’ bằng lực căng bề mặt f Lực căng bề mặt f vuông góc với thanh b và tác dụng lên cả hai bề mặt của màng xà phòng Khi thanh b dịch chuyển một đoạn dx, diện tích bề mặt màng xà phòng tăng thêm dS = 2ldx, và công thực hiện bởi lực f’ là dA = f’dx Công này làm tăng năng lượng bề mặt thêm một lượng αdS = 2αldx, dẫn đến kết luận rằng f = f’ = 2αl.

Máy đo sức căng bề mặt DST-30, sản xuất bởi hãng SEO tại Hàn Quốc, sử dụng phương pháp vòng Du Nouy, một trong những phương pháp đo sức căng bề mặt phổ biến và đơn giản nhất Ngoài phương pháp này, còn có nhiều cách khác như phương pháp giọt tròn xoay, áp suất bọt và thể tích giọt.

Thang đo : 0-500 dynes/cm hoặc mN/m Độ phân giải : 1 dynes/m

Dung tích ống đựng mẫu lỏng : 50, 70, 100 ml

Nhiệt độ điều chỉnh : -10 o C đến 100 o C

Nâng lên hạ xuống bằng tay

Vòng trong máy đo sức căng bề mặt đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo và độ sai số Để đảm bảo độ chính xác của các số liệu, cần tránh tác động lên vòng Sau khi thực hiện thí nghiệm, việc vệ sinh và bảo quản vòng một cách cẩn thận là rất cần thiết.

Để đảm bảo kết quả chính xác trong các thí nghiệm, việc vệ sinh vòng là rất quan trọng Sử dụng các dung môi có độ phân cực cao như cồn hoặc metanol giúp loại bỏ tạp chất bám trên vòng Sau khi vệ sinh, cần rửa lại bằng nước cất để đảm bảo sạch sẽ hoàn toàn.

Để đốt vòng, hãy sử dụng ngọn lửa từ đèn cồn hoặc đèn propan Cần lưu ý hạn chế việc đốt ở các vị trí nối và gờ để tránh làm hỏng các mối giáp nối.

* Để vòng nguội đến nhiệt độ phòng trong vòng vài phút trước khi tiến hành thí nghiệm

1 Đo sức căng bề mặt tại lớp bề mặt phân cách của pha lỏng và pha khí

Xét thí nghiệm đo sức căng bề mặt trong trường hợp pha lỏng là nước, pha khí là không khí

* Chuẩn bị nước trong cốc, được ổn nhiệt tại nhiệt độ mong muốn nhờ máy ổn nhiệt

* Treo quả móc lên giá Đóng nắp trên của thiết bị

* Treo vòng lên quả móc

Để đạt được hiệu quả tối ưu, hãy nhúng chìm vòng tròn xuống dưới bề mặt phân cách pha bằng cách điều chỉnh núm xoay Lưu ý rằng độ sâu nhúng chìm nên khoảng 5-6mm dưới bề mặt phân cách pha.

* Cấp nguồn cho thiết bị,

* Bật máy, chờ màn hình ổn định Khi hiển thị “Push Enter” thì nhấn “Enter”

* Vào mục “Balance Mode” bằng cách nhấn “Enter” để cài đặt tham số gốc về 0

To access the "Tare" function, use the arrow keys and press Enter to set the parameters The display will show "Wait Zero Adjust." Once the setup is complete, the screen will indicate "Weight."

000,000g” Chọn “End Mode” để quay về màn hình bắt đầu và tiến hành đo

* Chuyển sang chức năng đo sức căng bề mặt bằng cách di chuyển các phím mũi tên để chọn “Tension Mode”

* Chọn “Ring Mode” và chuẩn bị cài đặt các tham số của vòng

Để cài đặt các tham số của vòng, hãy tham khảo thông số trên hộp chứa vòng Sử dụng phím “Enter” để di chuyển đến vị trí các số cần điều chỉnh Tăng hoặc giảm tham số bằng các phím mũi tên và tiếp tục nhấn “Enter” cho đến khi màn hình hiển thị cài đặt thông số D-d và nhiệt độ.

Thông số D-d được xác định là hiệu khối lượng riêng giữa hai pha tại nhiệt độ khảo sát, cụ thể là pha nước và pha khí Ở nhiệt độ 20°C, khối lượng riêng của nước là 0,998 g/ml và khối lượng riêng của không khí là 0,001 g/ml Do đó, giá trị D-d được tính toán là 0,998 – 0,001 = 0,997 g/ml.

* Cài đặt thông số D-d và nhiệt độ cho máy Nhấn “Enter” cho đến khi màn hình hiển thị

“Set Ring Start Enter Key” thì nhấn “Enter”

Khi màn hình hiển thị “Max G”, hãy từ từ di chuyển cốc để nhấc vòng ra khỏi nước Dừng lại khi vòng đã hoàn toàn ra khỏi nước và nhấn “Enter” để xem kết quả.

“Tens” hiển thị trên màn hình chính là giá trị sức căng bề mặt của nước tại nhiệt độ cần đo

ĐO ĐỘ NHỚT CHẤT LỎNG

- Khảo sát hiện tượng nhớt của chất lỏng

- Đo độ nhớt của chất lỏng

Khi chất lỏng di chuyển trong ống hình, vận tốc của nó giảm dần từ trục ống đến thành ống Điều này xảy ra do sự tác động của lực ma sát giữa lớp chất lỏng ngoài cùng và thành ống, cũng như lực nội ma sát giữa các lớp chất lỏng với nhau.

Lực nội ma sát F ms giữa hai lớp chất lỏng tiếp xúc với nhau phụ thuộc vào khoảng cách dz, chênh lệch vận tốc dv và diện tích tiếp xúc Hệ số nhớt, đặc trưng cho từng loại chất lỏng, giảm dần khi nhiệt độ tăng Đơn vị đo của hệ số nhớt là kg/(m.s).

Hình 3.1.Phân bố vận tốc trong ống trụ

Máy đo độ nhớt chất lỏng Brookfield gồm các bộ phận

Hình 3.2 Máy đo độ nhớt chất lỏng Brookfield

 Núm điều chỉnh tốc độ quay của cánh khuấy – Speed Knob

 Cổng nối nguồn điện – Power Supply

 Công tắc điều chỉnh motor với 3 chế độ: Bật, tắt, tạm dừng – Motor On/Off/Pause

 Chân bảo vệ - Guard Leg

- Lắp thân máy vào giá đỡ

- Lắp chân bảo vệ vào thân máy cho LV Viscometer

- Chọn cánh khuấy thích hợp rồi lắp cánh khuấy ( LVspindles) vào thân máy Có 4 cánh khuấy LV spindles được chọn cho mỗi khoảng đo giá trị độ nhớt

- Điều chỉnh sao cho máy ở trạng thái cân bằng bằng cách điều chỉnh các núm xoay chân để để giọt nước nằm chính giữa

- Cắm nguồn cho thiết bị

- Chuẩn bị dung dịch cần đo độ nhớt, hạ trục chính kèm chân đỡ xuống dung dịch cần đo độ nhớt bằng núm xoay trên giá đỡ

- Chọn tốc độ quay cho cánh khuấy

- Bật công tắc động cơ đến vị trí ON

Để đảm bảo máy hoạt động ổn định theo thời gian, thời gian đo có thể thay đổi tùy thuộc vào loại chất lỏng cần kiểm tra Do đó, nên thực hiện ít nhất 5 vòng đo trước khi tiến hành đọc kết quả.

- Để đọc kết quả, nhấn đòn bẩy xuống và giữ nguyên vị trí của nó Chuyển giá trị động cơ về trạng thái Pause hoặc Off

- Đọc giá trị trên màn hình hiển thị Giá trị này gọi là % mô-men xoắn

Để chuyển đổi giá trị phần trăm mô-men xoắn sang giá trị độ nhớt cần đo, bạn cần áp dụng công thức tương ứng với hệ số cho từng loại trục chính.

“Giá trị độ nhớt” = “Giá trị trên màn hình hiển thị” x “hệ số”

- Hệ số tương ứng với mỗi loại trục chính sẽ được tra theo bảng

Khi dừng việc đo hoặc thay đổi trục chính hoặc mẫu, hãy chuyển động cơ đến vị trí OFF Để đảm bảo độ chính xác cho các lần đo tiếp theo, cần làm sạch trục chính.

Ví dụ: Giá trị hiển thị trên màn hình là 75 (khi sử dụng trục chính là 61, với tốc độ quay của trục chính là 12)

Giá trị độ nhớt = 75 x 5 = 375 cP (mPa.s)

- Thực hành đo độ nhớt với chất lỏng 1

Bảng 1 Đại lượng đo Lần 1 Lần 2 Lần 3 ̅ ̅ v

- Thực hành đo với chất lỏng 2

 Câu hỏi (bài tập) củng cố:

Câu 1: Hiện tượng nhớt là gì

Câu 2: Nêu ý nghĩa của hệ số nhớt và ứng dụng của hệ số nhớt trong y học

Câu 3: Hệ số nhớt có phụ thuộc vào nhiệt độ không? Tại sao?

KHẢO SÁT HIỆU ỨNG DOPPLER

- Xác định một số đại lượng đặc trưng của sóng siêu âm như vận tốc, bước sóng, tần số, dạng sóng…

- Tìm hiểu về tính chất của sóng siêu âm như nhiễu xạ, giao thoa, phản xạ trong một số trường hợp

1 Hiệu ứng Doppler là gì?

Khi nguồn phát và nguồn thu sóng âm đứng yên tương đối, tần số âm thanh phát ra từ nguồn hát và tần số nhận được từ nguồn thu sẽ giống nhau Tuy nhiên, khi hai nguồn này chuyển động tương đối, tần số phát và thu sẽ khác nhau, điều này rất rõ ràng.

Khi đứng yên, ta nhận thấy âm thanh của ô tô đến gần với tần số cao dần, và khi ô tô rời xa, tần số âm thanh lại thấp dần, tạo cảm giác như âm thanh trầm xuống Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Doppler, mô tả sự thay đổi tần số giữa nguồn phát và nguồn thu khi chúng chuyển động tương đối với nhau.

Gọi u là vận tốc chuyển động của nguồn âm A, u' là vận tốc chuyển động của máy thu

Vận tốc truyền âm, ký hiệu là B và v, chỉ phụ thuộc vào môi trường truyền âm và không bị ảnh hưởng bởi chuyển động của nguồn âm Theo quy ước, nếu nguồn âm tiến gần máy thu thì vận tốc u > 0, còn khi nguồn âm rời xa máy thu thì u < 0 Tương tự, nếu máy thu tiến gần nguồn âm thì u' > 0, và khi máy thu rời xa nguồn âm thì u' < 0 Tần số âm ν do nguồn phát ra tương ứng với số sóng âm đã truyền đi trong một đơn vị thời gian.

Tần số âm thanh được xác định bởi số lượng sóng âm truyền đi trong một đơn vị thời gian Để tính tần số âm thanh mà máy thu nhận được, chỉ cần đếm số sóng âm mà máy thu đã nhận trong khoảng thời gian đó.

Xét trường hợp tổng quát: Nguồn âm và máy đều chuyển động (u ≠ 0, u' ≠ 0)

Khi nguồn âm và máy thu di chuyển về phía nhau (u > 0, u' > 0), vận tốc truyền âm sẽ tăng lên do máy thu tiến gần hơn tới nguồn âm Cụ thể, vận tốc mới của âm thanh được tính là v' = v + u', trong đó v là vận tốc âm thanh ban đầu.

Vận tốc âm v chỉ phụ thuộc vào môi trường truyền âm và không thay đổi khi nguồn âm chuyển động Thay vào đó, bước sóng λ của âm phát ra sẽ bị thay đổi Sóng âm có tính chất tuần hoàn trong không gian, với chu kỳ tương ứng với bước sóng λ, nghĩa là hai sóng liên tiếp phát ra sẽ có mối liên hệ chặt chẽ với nhau.

Khi nguồn âm A đứng yên phát ra sóng, sau thời gian T, sóng a sẽ truyền đi một đoạn λ = vT Sóng b do nguồn A phát ra sẽ cách sóng a một khoảng bằng bước sóng λ Tuy nhiên, do nguồn A di chuyển với vận tốc u, trong khoảng thời gian T, nguồn A đã di chuyển được một đoạn uT.

A đi tới gặp máy thu B (u > 0) thì sóng b vừa phát ra phải cách sóng a một đoạn: λ' = λ – uT

Bước sóng âm phát ra từ nguồn A đã giảm xuống một lượng uT, tạo thành bước sóng mới λ' Cuối cùng, ta có thể tính tần số âm mà máy thu nhận được khi nguồn âm và máy thu tiến lại gần nhau.

Công thức (1) cho thấy rằng khi nguồn âm và máy thu di chuyển lại gần nhau, tần số âm mà máy thu nhận được sẽ cao hơn tần số âm do nguồn phát ra (ν' > ν) Ngược lại, nếu nguồn âm và máy thu di chuyển xa nhau, tần số âm mà máy thu nhận được sẽ thấp hơn tần số âm do nguồn phát ra (ν' < ν).

Khi hai xe ô tô gặp nhau, một xe bấm còi trong khi xe còn lại không bấm còi Người ngồi trên xe không bấm còi nghe thấy tiếng còi từ xe thứ nhất cao hơn mức bình thường Khi hai xe đã qua nhau và di chuyển xa, âm thanh còi mà người ngồi trên xe thứ hai nghe thấy giảm xuống rõ rệt.

1 Tìm dạng sóng trên máy hiện sóng Oscilloscope

 Bộ phát sóng siêu âm 40kHz

 Bút siêu âm và hệ đỡ

 Cấp nguồn cho bảng mạch

 Bật chuyển các nguồn S1, S2, S3 như vị trí trong hình

 Bộ phát sóng siêu âm 40 kHz liên kết với G1

 Bút siêu âm nối với đầu vào kênh A

 Kê giấy kẻ bên dưới như hình vẽ

 Nối đầu ra kênh A với bộ hiện sóng kênh CH1: 2V/div, 5us/div, DC, CH1

 Đặt sao cho đầu bút thẳng hướng với bộ phát sóng siêu âm và 2 đầu cách nhau 10cm

 Đặt bút siêu âm tại điểm X

 Vặn núm xoay trên G1 đồng thời theo dõi sự biến thiên của sóng trên máy hiện sóng

 Quan sát sự thay đổi khi độ khuếch đại nhỏ” song sin tròn” và hiện tượng xảy ra khi độ khuếch đại quá lớn” cutoff”

 Di chuyển bút siêu âm lại gần đầu phát và quan sát hiện tượng (vẽ hình)

 Thay bút siêu âm bằng đầu thu âm( microphone) và quan sát hiện tượng khi thực hành tương tự với bút siêu âm(vẽ hình)

 Nối đầu ra bộ khuếch đại kênh B với CH2 của máy hiện song( 2V/div, 5us/div, DC, trigger: CH2)

 Đặt trục Zero của cả hai kênh ở giữa trục của máy hiện song

 Nối đầu thu âm với đầu vào kênh B và quan sát dạng sóng( vẽ hình)

 Ngắt đầu thu âm ra và bật công tắc S2 lên phía trên và quan sát dạng sóng của nguồn phát.(vẽ hình)

2 Xác định bước sóng và vận tốc sóng

Xác định vận tốc bằng cách đo 20 bước sóng ở 40kHz.

 Bộ phát sóng siêu âm 40kHz

 Bút siêu âm và hệ đỡ

 Lắp điện cho hệ thống

 Bộ phát sóng siêu âm 40 kHz liên kết với G1

 Bút siêu âm nối với đầu vào kênh A

 Kê giấy kẻ bên dưới

 Đặt sao cho đầu bút thẳng hướng với bộ phát sóng siêu âm và 2 đầu cách nhau 10cm

 Vặn cho biên độ của G1 đạt giá trị lớn nhất

 Ghi lại giá trị tần số sóng

 Di chuyển bút siêu âm xa khỏi bộ phát sóng nhưng đảm bảo phải thẳng hàng đến khi nào độ sáng của bộ phát là nhỏ nhất

 Đánh dấu vị trí đầu bút siêu âm và ghi tại đó giá trị là 0

 Tiếp tục di chuyển bút siêu âm như vậy cho đến khi đạt được 20 giá trị

 Đo khoảng cách giữa 20 giá trị đó ( tìm bước sóng )

 Lập công thức và tính vận tốc

3 Thí nghiệm đo cường độ âm của nguồn phát siêu âm và tìm những điểm cùng cường độ âm

 Bộ phát sóng siêu âm, 40kHz

 1 cáp BNC chân nhỏ loại 4mm

 1 đồng hồ vạn năng Escola 10, 1 bút chì

 Cấp nguồn cho bảng mạch

 Bộ phát sóng siêu âm 40kHz liên kết với G1

 Đầu dò siêu âm nối với đầu vào kênh A

Đầu ra của kênh A được kết nối với đồng hồ vạn năng Escola 10, trong đó dây đỏ được nối với cực dương và dây xanh được nối với cực âm của đồng hồ vạn năng như hình minh họa.

 Sử dụng giấy ghi C kê phía dưới

 Đặt đầu dò siêu âm và nguồn phát siêu âm vào vị trí được định sẵn trên tờ giấy ghi

 Chỉnh núm điều chỉnh tần số của G1 sao cho trên đồng hồ vạn năng chỉ giá trị 2V

 Di chuyển đầu dò siêu âm để tìm những điểm khác tại đó điện áp cũng đạt giá trị 2V

 Đánh dấu lại những điểm này

 Vẽ đường cong nối các điểm vừa tìm được

Sau khi xác định tất cả các điểm có biên độ đạt giá trị 2V, tiếp tục thực hiện các bước tương tự để tìm ra tất cả những điểm có biên độ đạt giá trị 3V.

 Vẽ đường cong nối các điểm vừa tìm được và rút ra nhận xét

POWER: Công tắc chính của máy, khi bật công tắc lên thì đèn LED sẽ sáng

INTEN: Điều chỉnh độ sáng của điểm hoặc tia

FOCUS: Điều chỉnh độ sắc nét của hình

TRACE RATOTION: Điều chỉnh tia song song với đường ngang màn hình

FILTER: Màn hình CTR hiển thị đồ thị dao động

CH1 (X): Đầu vào CH1 là trục X trong chế độ X-Y

CH2 (Y): Đầu vào CH2 là trục Y trong chế độ X-Y

AC-GND-DC: Chọn lựa chế độ của tín hiệu vào và khuếch đại dọc

 GND khuếch đại dọc tín hiệu vào được nối với đất và tín hiệu được ngắt ra

VOLTS/DIV: Chọn lựa độ nhạy của trục dọc từ 5mV/DIV đến 5V/DIV, tổng cộng là

VARIABLE: Chỉnh tinh độ nhạy với giá trị >1/2.5 giá trị đọc được

POSITION: Điều chỉnh vị trí ngang của tia sáng trên màn hình

VERT MODE: Lựa chọn kênh

 DUAL: Hiển thị cả 2 kênh

 ALL: Cộng 2 dạng sóng kênh A và kênh B lại với nhau (về biên độ) để cho ra dạng sóng tổng

Khi nút ALT/CHOP được nhả ra trong chế độ DUAL, kênh 1 và kênh 2 sẽ hiển thị luân phiên Ngược lại, khi nút này được nhấn vào trong chế độ DUAL, chỉ có kênh 1 được hiển thị.

2 được hiển thị đồng thời

EXT TRIG IN: Đầu vào Trigger ngoài, để sử dụng đầu vào này, ta điều chỉnh Source ở vị trí EXT

SOURCE: Dùng để chọn tín hiệu nguồn trigger (trong hay ngoài) và tín hiệu đầu vào

 CH1: Chọn DUAL hay ADD ở VERT MODE, chọn CH1 để lấy tín hiệu nguồn trigger bên trong

 CH2: Chọn DUAL hay ADD ở VERT MODE, chọn CH2 để lấy tín hiệu nguồn trigger bên trong

Để sử dụng chế độ TRIG.ALT, bạn cần chọn DUAL hoặc ADD ở VERT MODE và chọn CH1 hoặc CH2 ở SOURCE Sau khi nhấn TRIG.ALT, nguồn TRIGGER sẽ hiển thị luân phiên giữa hai kênh 1 và 2.

 LINE: Hiển thị tín hiệu TRIGGER từ nguồn xoay chiều AC

 EXT Chọn nguồn tín hiệu TRIGGER bên ngoài đầu vào EXT TRIG IN

 (+): Trigger xảy ra khi tín hiệu trigger vượt quá mức trigger theo hướng dương

 (-): Trigger xảy ra khi tín hiệu trigger vượt quá mức trigger theo hướng âm

TRIGGER MODE: Lựa chọn chế độ Trigger

Nếu không có tín hiệu trigger hoặc tín hiệu này nhỏ hơn 25Hz, mạch quét sẽ phát tín hiệu tự động mà không cần tín hiệu trigger.

 Norm: Khi không có tín hiệu trigger thì mạch quét ở chế độ chờ và không có tín hiệu nào được hiển thị

 TV-V: Dùng để quan sát tín hiệu dọc của hình ảnh trong TV

 TV-H: Dùng để quan sát tín hiệu ngang của hình ảnh tỏng TV

XÁC ĐỊNH NGƯỠNG NGHE, NGƯỠNG PHÂN BIỆT TẦN SỐ CỦA NGƯỜI

Khảo sát các đặc tính vật lý và sinh lý của âm thanh bao gồm tần số, độ cao, cường độ và mức cường độ, đồng thời xác định ngưỡng nghe và ngưỡng phân biệt tần số của con người Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu cách mà con người tiếp nhận và phân biệt âm thanh trong môi trường sống.

Tần số và cường độ âm thanh, bao gồm âm thanh, hạ âm và siêu âm, đều liên quan đến các dao động cơ học Những dao động này lan truyền trong môi trường đàn hồi, tạo thành sóng âm Sóng âm có khả năng truyền trong không khí, nước và các vật liệu rắn như kim loại, nhưng không thể truyền qua chân không.

Nguồn âm là vật phát ra dao động cơ học tạo thành sóng âm, với tần số sóng âm tương ứng với tần số dao động của nguồn âm Khi sóng âm di chuyển qua các môi trường khác nhau, tần số không thay đổi nhưng tốc độ và bước sóng sẽ thay đổi Sóng âm được phân loại thành ba loại: âm thanh (tần số từ 16Hz đến 20.000Hz), hạ âm (tần số dưới 16Hz) và siêu âm (tần số trên 20.000Hz) Khi xa nguồn âm, biên độ dao động sóng âm giảm dần, dẫn đến hiện tượng sóng âm bị tắt dần trong không gian Cường độ sóng âm được đo bằng năng lượng sóng truyền qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian, đơn vị tính là W/m².

Một nguồn âm với công suất P (W) phát ra sóng cầu theo hướng đẳng hướng trong không gian, và nếu môi trường không hấp thụ âm, thì tại điểm M cách nguồn một khoảng R, cường độ sóng âm I sẽ được xác định.

Có một giá trị cường độ âm được quy định là cường độ âm chuẩn I0, có độ lớn bằng

Mức cường độ âm L được sử dụng để đánh giá cường độ âm I so với cường độ âm chuẩn I0 Với giá trị khoảng 10 - 12 W/m², âm thanh này rất nhẹ, chỉ có những người có thính giác nhạy bén mới có thể nghe thấy trong không gian yên tĩnh.

Đơn vị âm thanh được gọi là Ben (viết tắt là B), được đặt theo tên nhà vật lý A.G Ben, người đã có nhiều công trình nghiên cứu về sự cảm thụ âm thanh của con người Trong thực tế, đơn vị thường được sử dụng là đề-xi Ben (dB), trong đó 1 dB tương đương với 0.1 B.

2 Đặc tính sinh lý của âm

Con người cảm nhận âm thanh thông qua cơ quan thính giác, cho phép họ nhận biết sự vận động của thế giới xung quanh Tai người có khả năng phân biệt âm thanh theo độ cao, độ lớn và âm sắc khác nhau, phản ánh các đặc tính sinh lý của âm Độ cao của âm liên quan trực tiếp đến tần số, với tần số lớn tạo ra âm cao và tần số nhỏ tạo ra âm trầm Tuy nhiên, tai người không thể nghe được âm trầm dưới 16 Hz (hạ âm) và âm cao trên 20.000 Hz (siêu âm), đánh dấu ngưỡng phân biệt tần số giữa âm thanh và hạ âm.

Trong tài liệu giảng dạy môn Thực hành Vật lý - Lý sinh, trang 40, đề cập đến khả năng nghe âm thanh của con người và một số loài động vật Con người có thể nghe âm thanh và siêu âm, trong khi cá voi có khả năng nghe hạ âm, còn dơi và chó có thể nghe được siêu âm.

Tai người có khả năng phân biệt âm thanh với độ to khác nhau, phụ thuộc vào cường độ và tần số âm Một âm thanh có cường độ 60dB ở tần số 1000Hz được cảm nhận là to, trong khi ở tần số 50Hz lại rất nhỏ Ngưỡng nghe là mức cường độ âm thanh nhỏ nhất mà tai người có thể nghe được ở một tần số nhất định Người có thính lực bình thường có thể nghe được âm thanh nhẹ như tiếng tích tắc của đồng hồ ở khoảng cách 10cm vào ban đêm, nhưng không thể nghe khi ở trong môi trường ồn ào Ngưỡng nghe không chỉ phụ thuộc vào cường độ và tần số âm, mà còn vào tiếng ồn xung quanh Khoảng cường độ âm thanh mà tai người có thể nghe rất rộng, từ 10^-13 W/m² (-10dB) đến 10 W/m² (130dB), và tai người khó phân biệt âm thanh có cường độ chênh lệch lớn Việc xác định ngưỡng nghe ở các tần số khác nhau để tạo ra biểu đồ thính lực đồ giúp đánh giá thính lực của một người.

- Nếu ngưỡng nghe ở mức -10dB đến 25dB : cơ quan thính giác bình thường

- Từ 25 40 dB : điếc nhẹ, “nặng tai”, “nghễnh ngãng”

Người bị điếc sâu chỉ có thể nghe được tiếng bom nổ, tiếng sét đánh…

3 Bộ dụng cụ thí nghiệm

Hình 5.1 Thí nghiệm về đặc tính sinh lý của âm – Xác định ngưỡng nghe, ngưỡng phân biệt tần số của người

1 Máy phát hàm số 0,2 Hz- 2Mhz, có 7 dải đo, chỉ thị tần số , biên độ hiện số, hai nút suy giảm 20 dB và 40 dB

2 Dao động kí điện tử Hai kênh 20 MHz, ĐCNN 5mV/cm

3 Bộ phối hợp HF Stereo Ampl MC -254

6 Máy đo mức cường độ âm

9 Cáp đồng trục và dây tín hiệu

II THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM

1.1 Cấu tạo và sử dụng máy phát hàm

Máy phát hàm VC2002 là thiết bị tạo ra điện áp hình sin với tần số điều chỉnh liên tục từ 0.2 Hz đến 2.000.000 Hz Biên độ của máy có thể điều chỉnh từ 2V đến 10V, với độ suy giảm từ 20-40 dB.

1 - Núm xoay tần số (F.Adj) : dùng điều chỉnh tần số tín hiệu ra trong phạm vi thang đã chọn ( xem (7)

2 - Núm xoay Biên độ ( A.Adj) : dùng điều chỉnh biên độ tín hiệu ra

3 - Núm xoay nghiêng tín hiệu (D.Adj): Dùng cân chỉnh dạng tín hiệu hình sin, điều chỉnh tạo dạng cho tín hiệu răng cưa từ tín hiệu hình tam giác

4 - Lỗ cắm đồng trục “OUT”cho tín hiệu ra

5 - Nút nhấn “ATT” suy giảm tín hiệu ra 20dB và 40dB

6 - Nút nhấn “WAVE” dùng để chọn dạng sóng : “1”: Hình sin; “2”: Xung vuông; “3”: Tam giác, răng cưa

7 - Nút nhấn “RANGE “dùng chọn thang tần số, có 7 dải tần , được biểu thị bởi các con số từ 1 đến 7: “1” : 0.2 - 3 Hz; “2” : 2- 20 Hz; “3” : 15 - 250 Hz ; “4”: 125 - 2500 Hz;

Trong bài thí nghiệm này, ta chỉ dùng thang “3”, “4” và “5”

8 - Nút nhấn "RUN", cho máy "chạy", thực hiện tất cả các lệnh đã đặt

9 - Nút nhấn “RESET” : dùng để thiết lập lại trạng thái "0" ban đầu

10 - Cửa số hiển thị số , có 3 chữ số, để hiển thị biên độ điện áp tín hiệu ra theo đơn vị

Cửa số hiển thị số gồm 6 chữ số, cho phép người dùng theo dõi chế độ hoạt động (1-3: dạng sóng), chỉ số thang tần số (thang 1-7) và giá trị tần số tín hiệu ra được thiết lập khi nhấn nút RUN.

Mặt sau có: Công tắc nguồn và dây cắm nguồn 220V 50Hz

Các núm xoay chọn tần số, điều chỉnh biên độ và điều chỉnh độ nghiêng tín hiệu có cấu tạo tinh vi, nên cần thao tác chậm rãi và nhẹ nhàng để tránh hư hỏng Khi xoay đến cữ, cần dừng ngay, vì vặn quá mức có thể gây hư hỏng nghiêm trọng.

1.2 Cấu tạo và sử dụng Dao động kí điện tử

Cách sử dụng máy dao động kí Oscilloscope Gos – 630 trong bài 4

1.3 Bộ phối hợp HF Stereo AMPL MC-254

Hình 5.3 Bộ phối hợp HF Stereo AMPL MC – 254

1 - Chuyển mạch K1: Chuyển tín hiệu từ máy phát qua mạch Tai nghe (HP) hoặc Loa điện động (SP)

2 - Input Hz : Đưa tín hiệu vào từ máy phát

3 - HP volume : Điều chỉnh âm lượng tai nghe

4 - HP ( Single/ Dual ) Lỗ cắm tai nghe ( nghe một tai, hai tai)

5 - K2 ( L/R) Chuyển mạch tai nghe (tai trái /tai phải) dùng cho lỗ cắm Single

6 - OUT HP : Đưa tín hiệu tai nghe ra ngõ đồng trục BCN chuyển tới Dao động kí điện tử

7 - SP Volume: Điều chỉnh âm lượng loa điện động

8 - SP : Ổ 5 chân , đưa tín hiệu ra loa điện động

9 - OUT SP : Đưa tín hiệu LOA ra ngõ đồng trục BCN để chuyển tới input CH2 Dao động kí điện tử

1.4 Máy đo mức cường độ âm thanh

Hình 5 4 Máy đo mức cường độ âm

1 - Microphone áp điện và mũ lọc gió

3 - Tốc độ lấy mẫu ( nhanh/chậm)

Để kết nối bộ phối hợp MC-254 với các thiết bị ngoại vi, bạn cần sử dụng 2 cáp đồng trục BCN để nối từ lối ra tín hiệu của máy phát hàm VC2002 đến lối vào kênh 2 của dao động kí điện tử Ngoài ra, hãy sử dụng dây tín hiệu có phích 5 chân để kết nối với loa điện động và jắc cắm tai nghe Stereo để nối vào DUAL.

Microphone áp điện được kết nối vào lỗ cắm INPUT của Bộ khuếch đại MIKE MC-253, trong khi lỗ cắm AC output của MC-253 được nối với kênh 1 của dao động ký điện tử Sự kết hợp này cho phép quan sát dạng sóng âm một cách hiệu quả.

3 Lắp máy đo mức cường độ âm và Microphone áp điện lên giá quang học tại vị trí

1000 và 100 mm, tương ứng Loa điện động đặt cách đầu thu của máy đo mức cường độ âm đúng 100cm

3.1 Đo ngưỡng phân biệt tần số :

1 Bật điện máy phát hàm

2 Nhấn nút WAVE 1 lần để chọn dạng sóng “1” ( hình sin)

3 Nhấn nút RANGE để chọn thang tần số “5” (1200Hz – 25.000Hz Hz )

Nhấn nút RUN để kích hoạt các chức năng đã thiết lập, sau đó màn hình sẽ hiển thị tần số và biên độ tín hiệu Đặt núm D.Adj ở giữa thang, sau đó đeo tai nghe và điều chỉnh núm âm lượng đến mức vừa đủ để nghe âm thanh phát ra.

Tiêu đề	Bài Giảng Phần Thực Hành Môn Vật Lý - Lý Sinh
Tác giả	Trương Thị Ngọc Chinh
Trường học	Trường Đại Học Trà Vinh
Chuyên ngành	Vật lý - Lý sinh
Thể loại	Tài liệu giảng dạy
Năm xuất bản	20
Thành phố	Trà Vinh

Định dạng
Số trang	53
Dung lượng	2,36 MB